JPH0829161A - 光方向変換装置およびそれを用いた光電スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 所望の収束光を実現し、かつ十分な光量を確
保しつつ、光の進行方向を屈曲させることができる光方
向変換装置を提供することである。 【構成】 プリズムレンズ１０は、光を内部に入射しま
たは外部に出射する第１の入出射面１１、光を外部に出
射しまたは内部に入射する第２の入出射面１２および反
射面１３を有する。第１の入出射面１１には第１の凸レ
ンズ１４を一体形成し、第２の入出射面１２には第２の
凸レンズ１５を一体形成する。光ファイバ４０の先端か
ら出射された拡散光は第１の凸レンズ１４により並行光
またはそれに近い拡散光に収束され、反射面１３により
ほぼ直角に屈曲される。その反射光は第２の凸レンズ１
５によりさらに収束される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光の進行方向を変える
ための光方向変換装置およびそれを用いた光電スイッチ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光の透過または反射を利用し
て物体の有無を検出する光電スイッチが用いられてい
る。このような光電スイッチを検出箇所から離れた場所
に設置する場合には、通常、検出箇所から光電スイッチ
まで光ファイバーを用いて光を導いている。その場合、
検出箇所が狭い場所であると、光ファイバの先端を折り
曲げて使用することがある。しかし、光ファイバを小さ
い曲げ径で折り曲げると、光の伝達損失が生じるので、
曲げ径をあまり小さくすることができない。

【０００３】そこで、実開昭６４−２６７０７号公報に
図６に示すような光ファイバの検出端構造が提案されて
いる。図６において、保持スリーブ６１内に光ファイバ
６２および反射体６３が挿入されている。反射体６３に
は、保持スリーブ６１の軸方向に対してほぼ４５°傾斜
した反射面６４が形成されている。また、保持スリーブ
６１の側面には窓孔６５が設けられている。

【０００４】光ファイバ６２の先端から出た光は反射体
６１の反射面６４でほぼ直角に曲げられ、窓孔６５から
保持スリーブ６１の外部に出射される。このようにし
て、光ファイバ６２から出た光の進行方向がほぼ９０°
屈曲される。

【０００５】しかし、光ファイバ６２から出た光は光軸
を中心として先に向かって広がる拡散光となる。そのた
め、光の一部が反射面６４で反射されず、あるいは反射
面６４で反射された光も拡散光となって出射される。そ
の結果、光の伝達損失が大きくなり、受光側で十分な光
量が得られない。

【０００６】一方、実公昭６２−３５２３７号公報には
図７に示すような光伝送装置が提案されている。図７に
おいて、プラスチック等の光導体を棒状に一体成形して
なる変換器７１の一端に、光ファイバ７２の先端が嵌合
する凹所７３が設けられ、この凹所７３に凸レンズ７４
が形成されている。また、変換器７１の他端には、傾斜
した反射面７６を有する凹所７５が設けられている。

【０００７】光ファイバ７２の先端から出た光は凸レン
ズ７４により集光され、反射面７６によりほぼ直角に曲
げられる。このようにして、光ファイバ７２の先端から
出た拡散光が収束光に修正される。

【０００８】また、特開平４−２２５３０６号公報には
図８に示すような光軸変換装置が提案されている。図８
において、円筒形のキャップ８１内にシリンダレンズ８
２が収納され、キャップ８１の一端部に光ファイバ８３
が嵌入されている。シリンダレンズ８２の上端は軸方向
に対して約４５°の傾斜でカットされ、反射面８４が形
成されている。また、シリンダレンズ８２の側部には凸
レンズ８５が形成されている。キャップ８１には、その
凸レンズ８５が嵌合する円穴が形成されている。また、
キャップ８１の上端部には蓋部材８６が嵌入されてい
る。

【０００９】光ファイバ８３の先端から出た光はシリン
ダレンズ８２の反射面８４でほぼ直角に曲げられ、凸レ
ンズ８５により集光されて外部に出射される。それによ
り、光ファイバ８３から出射された拡散光が凸レンズ８
５により収束光に修正される。

【００１０】なお、実開昭６２−１３１３３６号公報に
も、図８に示した光軸変換装置と同様の構造を有する光
電スイッチ用アタッチメントが開示されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光ファ
イバはある大きさの径を有するので、光ファイバの先端
から出た光は、点発光とはならず、実際には面発光とな
る。そのため、光ファイバから出た光の広がりがかなり
大きくなる。したがって、図７に示すように光ファイバ
７２から出た光を凸レンズ７４により集光しても、ある
いは、図８に示すように反射面８４により反射された光
を凸レンズ８５により集光しても、拡散光を十分な収束
光に絞ることができず、十分な光量も得られないのが現
状であった。

【００１２】特に、限定反射型の光電スイッチにおいて
は、ビームスポットが絞れないと検出範囲および応差が
大きくなり、良好な特性が得られない。ここで、限定反
射型の光電スイッチとは、光を投光し、その反射光を受
光することにより所定の距離だけ離れた位置の物体の有
無を検出するものである。

【００１３】そこで、本発明の目的は、所望の収束光を
実現し、かつ十分な光量を確保しつつ、光の進行方向を
屈曲させることができる光方向変換装置およびそれを用
いた光電スイッチを提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成するために、まず従来技術における問題点の原因を
詳細に分析した。

【００１５】図９の（ａ），（ｂ）に示すように、プリ
ズム９３の２つの入出射面のうち光ファイバ９１の側の
入出射面に凸レンズ９２を形成した場合を考える。この
場合、図９の（ａ）に示すように、凸レンズ９２の曲率
半径が大きいと、光ファイバ９１から出射されるビーム
を十分に絞ることができない。ビームを十分に絞るため
には、図９の（ｂ）に示すように、凸レンズ９２の曲率
半径を小さくする必要がある。しかし、この場合、光フ
ァイバ９１から出射された拡散光の一部が凸レンズ９２
の表面で反射して逃げてしまう。それにより、レンズと
して作用する有効な径が実際の凸レンズ９２の径よりも
小さくなってしまい、十分な光量の確保が妨げられる。

【００１６】図９の（ｃ）に示すように、プリズム９３
の２つの入出射面のうち光ファイバ９１と反対側の入出
射面に凸レンズ９４を形成した場合を考える。この場
合、凸レンズ９４の径が小さいと、プリズム９３の反射
光の一部が凸レンズ９４に入射しない。それにより、十
分な光量が確保されない。逆に、凸レンズ９４の径を大
きくすると、プリズム９３自体の大きさも大きくしなけ
ればならず、装置の小型化の妨げとなる。

【００１７】そこで、凸レンズ９４の径を小さく保ちつ
つ光ファイバ９１の先端をプリズム９３の入出射面に近
づけると、凸レンズ９４に入射する光の量を多くするこ
とができる。

【００１８】しかしながら、図９の（ｄ），（ｅ）に示
すように、凸レンズ９５からある一定の距離だけ離れた
焦点位置Ｆで結像させる場合、光ファイバ９１の先端を
凸レンズ９５から離した方が光学系の焦点位置Ｆにおけ
るビーム径を小さく絞ることができる。図９の（ｅ）の
場合、図９の（ｄ）の場合に比べて、凸レンズ９５の曲
率半径を大きくすることができる。光電スイッチの特性
を鋭敏にするためには、ビーム径を絞れるという点が重
要である。

【００１９】上記の理由のため、従来技術においては、
所望の収束光および十分な光量の両方を満たすことがで
きなかったと考えられる。そこで、本発明者は、上記の
分析結果に基づいて以下に示す本発明を創作した。

【００２０】（１） 第１の発明 第１の発明に係る光方向変換装置は、光を内部に導く入
射面、光を外部に出す出射面および光を反射する反射面
を有するプリズムと、プリズムの入射面側に設けられた
第１の凸レンズと、プリズムの出射面側に設けられた第
２の凸レンズとを備え、第１の凸レンズを通してプリズ
ム内部に入射した光が反射面において反射し、第２の凸
レンズを通して出射するものである。

【００２１】（２） 第２の発明 第２の発明に係る光方向変換装置は、第１の発明に係る
光方向変換装置の構成において、第１の凸レンズが入射
面に入射する光を略平行光にするレンズであり、第２の
凸レンズが出射面から出射される光を収束光にするレン
ズであることを特徴とする。

【００２２】（３） 第３の発明 第３の発明に係る光電スイッチは、光を物体に投光しそ
の反射光を受光することにより物体の有無を検出する光
電スイッチにおいて、光を内部に導く入射面、光を外部
に出す出射面および光を反射する反射面を有するプリズ
ムと、プリズムの入射面側に設けられた第１の凸レンズ
と、プリズムの出射面側に設けられた第２の凸レンズと
を備え、第１の凸レンズを通してプリズム内部に入射し
た光が反射面において反射し、第２の凸レンズを通して
出射する光方向変換装置を用いていることを特徴とす
る。

【００２３】

【作用】第１および第２の発明に係る光方向変換装置に
おいては、プリズムの入射面に入射する拡散光が第１の
凸レンズにより略平行光に収束され、反射面により反射
される。反射面により反射された光は出射面に導かれ、
第２の凸レンズによりさらに収束されて出射される。

【００２４】このように、入射光がまず第１の凸レンズ
により略平行光に絞られるので、入射光の全てあるいは
ほとんどをプリズム内において反射面を経由して第２の
凸レンズまで導くことができる。それにより、十分な光
量を確保することが可能となる。この場合、第１の凸レ
ンズは、入射光の全てあるいはほとんどが第２の凸レン
ズまで導かれる程度まで入射光を絞れば十分であるの
で、曲率半径をそれほど小さくする必要はない。

【００２５】また、反射面により反射された光が第２の
凸レンズによりさらに絞られるので、所望の結像距離お
よび所望のビームスポット径が得られる。この場合、第
２の凸レンズに入射する光は、第１の凸レンズによりあ
る程度まで絞られているので、第２の凸レンズの径を大
きくする必要はない。

【００２６】したがって、超小型化を妨げることなく所
望の収束光を実現し、かつ十分な光量を確保しつつ、光
の進行方向を変えることができる。第１の発明に係る光
方向変換装置を用いた第３の発明に係る光電スイッチに
おいては、ビームスポットを絞ることができるので、良
好な特性が得られる。

【００２７】

【実施例】図１は本発明の一実施例によるプリズムレン
ズの構造を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側
面図、（ｃ）は底面図である。このプリズムレンズが光
方向変換装置となる。

【００２８】図１のプリズムレンズ１０は樹脂等の光導
体からなり、底面部に光を内部に入射しまたは外部に出
射する第１の入出射面１１を有し、前面部に光を外部に
出射しまたは内部に入射する第２の入出射面１２を有
し、上面部に反射面１３を有する。第１の入出射面１１
と第２の入出射面１２とは互いに９０°の角度をなし、
反射面１３は第１の入出射面１１および第２の入出射面
１２に対して４５°の角度をなしている。

【００２９】第１の入出射面１１には第１の凸レンズ１
４が一体形成され、第２の入出射面１２には第２の凸レ
ンズ１５が一体形成されている。また、プリズムレンズ
１０の両側面部にはそれぞれ位置決め用の凸部１６が一
体形成されている。プリズムレンズ１０の後面部１７は
横断面が円弧状になるように形成されている。

【００３０】反射面１３および後面部１７には光の反射
率を上げるためにアルミニウム等からなる反射膜が蒸着
されている。また、プリズムレンズ１０の表面にはシリ
コンコーティングが施されている。

【００３１】図２は図１のプリズムレンズ１０の縦断面
図である。図２に示すように、光ファイバ４０の先端か
ら出た拡散光は、第１の凸レンズ１４を通して第１の入
出射面１１に入射する。それにより、拡散光が平行ある
いはそれに近い程度まで収束され、反射面１３によりほ
ぼ直角に屈曲される。その反射光は第２の入出射面１２
から第２の凸レンズ１５を通して出射される。それによ
り、出射光が第２の凸レンズ１５によりさらに収束され
る。

【００３２】このように、光ファイバ４０の先端から出
た拡散光がまず第１の凸レンズ１４によりある程度まで
絞られるので、入射光の全てあるいはほとんどを反射面
１３を経由して第２の凸レンズ１５に導くことができ
る。それにより、十分な光量を確保することができる。
この場合、第１の凸レンズ１４は、入射光の全てあるい
はほとんどが第２の凸レンズ１４まで導かれる程度まで
入射光を絞れば十分であるので、曲率半径をそれほど小
さくする必要がない。

【００３３】また、反射面１３により反射された光が第
２の凸レンズ１５によりさらに絞られるので、所望の結
像距離およびビームスポット径が得られる。この場合、
第２の凸レンズ１５に入射する光は第１の凸レンズ１４
によりある程度まで収束されているので、第２の凸レン
ズ１５の径を大きくする必要がなく、光ファイバ４０の
先端を第１の凸レンズ１４に密着させる必要もない。

【００３４】このようにして、所望の収束光を実現しか
つ十分な光量を確保しつつ光ファイバ１４から出射した
光の進行方向をほぼ直角に屈曲させることができる。こ
のプリズムレンズ１０においては、第１の凸レンズ１
４、第２の凸レンズ１５および凸部１６が一体形成され
ているので、部品点数が少なくなり、かつ表面での反射
による光の伝達損失が小さい。また、光軸調整は、プリ
ズムレンズ１０と光ファイバ４０との間のみで行えばよ
い。

【００３５】この実施例のプリズムレンズ１０によれ
ば、出射光のビームスポット径を一定の焦点位置におい
て絞ることができるので、特に限定反射型の光電スイッ
チに適用した場合に鋭敏な特性を得ることができる。

【００３６】図３は上記実施例のプリズムレンズを用い
た限定反射サイドビュー型の光電スイッチの投受光ヘッ
ドの分解斜視図である。サイドビュー型とは、光をほぼ
直角に曲げて投光および受光することにより狭い検出箇
所における物体の有無の検出を可能とするものである。

【００３７】図３において、合成樹脂等からなる長方形
の保持部材２０に、２つのプリズムレンズ１０ａ，１０
ｂを固定するための固定枠２１ａ，２２，２１ｂが一体
形成されている。固定枠２２を中心としてその両側に固
定枠２１ａ，２１ｂが所定間隔を隔てて配置されてい
る。

【００３８】固定枠２１ａの内側にはプリズムレンズ１
０ａの一方の凸部１６（図１参照）が嵌合する凹部２３
ａが形成され、固定枠２２の一方の側部にはプリズムレ
ンズ１０ａの他方の凸部１６が嵌合する凹部２４ａが形
成されている。同様に、固定枠２１ｂの内側にはプリズ
ムレンズ１０ｂの一方の凸部１６が嵌合する凹部２３ｂ
が形成され、固定枠２２の他方の側部にはプリズムレン
ズ１０ｂの他方の凸部１６が嵌合する凹部２４ｂが形成
されている。

【００３９】プリズムレンズ１０ａは、両方の凸部１６
（図１参照）を固定枠２１ａ，２２の凹部２３ａ，２４
ａにそれぞれ嵌合させることにより、第２の凸レンズ１
５が斜め前方を向く状態で保持部材２０に位置決めされ
ている。同様に、プリズムレンズ１０ｂは、両方の凸部
１６（図１参照）を固定部材２１ｂ，２２の凹部２３
ｂ，２４ｂにそれぞれ嵌合させることにより、第２の凸
レンズ１５が斜め前方を向く状態で保持部材２０に位置
決めされている。

【００４０】プリズムレンズ１０ａ，１０ｂの下方にお
ける保持部材２０の表面にそれぞれ凹所２５ａ，２５ｂ
が形成され、凹所２５ａ，２５ｂの下方にそれぞれ円筒
形の光ファイバ保持部２６ａ，２６ｂが取り付けられて
いる。光ファイバ保持部２６ａ，２６ｂにはそれぞれ光
ファイバ４０ａ，４０ｂの先端が挿入されている。それ
により、光ファイバ４０ａ，４０ｂの先端がそれぞれプ
リズムレンズ１０ａ，１０ｂの第１の凸レンズ１４（図
１参照）の下方に位置決めされている。また、保持部材
２０にはねじ挿入用の穴２７，２８が形成されている。

【００４１】この保持部材２０には、蓋部材３０が超音
波溶着等で接着され組立てられる。蓋部材３０も、保持
部材２０と同様に、合成樹脂等により形成される。蓋部
材３０には、保持部材２０に保持されたプリズムレンズ
１０ａ，１０ｂの第２の凸レンズ１５に相当する位置に
それぞれ窓孔３１ａ，３１ｂが形成されている。

【００４２】また、蓋部材３０には、保持部材２０のね
じ挿入用の穴２７，２８に相当する位置にねじ挿入用の
穴３２，３３が形成されている。蓋部材３０を保持部材
２０に取り付けると、窓孔３１ａ，３１ｂにそれぞれプ
リズムレンズ１０ａ，１０ｂの凸レンズ１５が嵌合す
る。

【００４３】図４は図３の投受光ヘッドの横断面図であ
る。図４に示すように、プリズムレンズ１０ａ，１０ｂ
は、第２の凸レンズ１５の光軸が投受光ヘッドの前面か
ら距離Ｌだけ離れた検出位置Ａで互いに交差するよう
に、投受光ヘッドの前面に垂直な方向に対して第１の凸
レンズ１４の光軸を中心として角度θだけ内側に傾けら
れている。それにより、この投受光ヘッドを用いると、
距離Ｌだけ離れた検出位置Ａに検出対象物５０が存在す
るかどうかを検出することができる。

【００４４】各プリズムレンズ１０ａ，１０ｂの両側面
部に凸部１６が形成され、かつ後面部１７が円弧状に面
取りされているので、設計または試作段階において、投
受光ヘッドの厚さＤを薄く保ったまま第２の凸レンズ１
５の光軸の向きを微調整することができる。すなわち、
第２の凸レンズ１５の光軸の角度θを変えても、投受光
ヘッドの厚さＤを変えなくてよい。また、投受光ヘッド
の厚さＤが同じ場合でも、第１および第２の凸レンズ１
４，１５の大きさを大きくすることができる。したがっ
て、投受光ヘッドの小型化が可能となる。

【００４５】図５は保持部材２０にプリズムレンズ１０
ａ，１０ｂが取り付けられた状態を示す正面図である。
図５において、保持部材２０については外形線のみが描
かれている。

【００４６】光ファイバ４０ａの先端から出射した光
は、プリズムレンズ１０ａの第１の凸レンズ１４に入射
し、反射面１３により反射される。その反射光は、図４
に示すように、プリズムレンズ１０ａの第２の凸レンズ
１５および窓孔３１ａを通って出射される。投受光ヘッ
ドから所定の距離Ｌだけ離れた検出位置Ａに検出対象物
５０が存在する場合には、出射光がその検出対象物５０
の表面で反射され、反射光が窓孔３１ｂを通ってプリズ
ムレンズ１０ｂの第２の凸レンズ１５に入射する。その
入射光は反射面１３により反射され、図５に示すよう
に、プリズムレンズ１０ｂの第１の凸レンズ１４から出
射され、光ファイバ４０ｂの先端に導かれる。

【００４７】光ファイバ４０ｂの先端から光が出射した
場合には、上記と逆の経路をたどって、検出位置Ａから
の反射光が光ファイバ４０ａの先端に導かれる。このよ
うにして、所定の検出位置Ａに検出対象物５０が存在す
るかどうかが検出される。

【００４８】なお、上記実施例では、プリズムレンズ１
０，１０ａ，１０ｂの両側面部に断面矩形の凸部１６が
形成されているが、凸部１６の形状はそれに限定され
ず、断面半円形あるいはその他の形状の凸部１６を形成
してもよい。また、プリズムレンズ１０，１０ａ，１０
ｂの各側面部に２以上の凸部１６を形成してもよい。さ
らに、上記実施例では、プリズムレンズ１０，１０ａ，
１０ｂの後面部１７を円弧状になるように面取りしてい
るが、プリズムレンズ１０，１０ａ，１０ｂの後面部を
多角形に面取りしてもよい。

【００４９】上記実施例のプリズムレンズ１０，１０
ａ，１０ｂは、光を９０°曲げる必要のある照明装置に
も適用することができる。

【００５０】

【発明の効果】以上のように、第１および第２の発明に
よれば、プリズムの入射面および出射面にそれぞれ第１
の凸レンズおよび第２の凸レンズを設けることにより、
所望の収束光を実現し、かつ十分な光量を確保しつつ、
光の進行方向を変えることが可能となる。また、第３の
発明によれば、良好な特性を有する光電スイッチが得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるプリズムレンズの正面
図、側面図および底面図である。

【図２】図１のプリズムレンズの縦断面図である。

【図３】図１のプリズムレンズを用いた限定反射サイド
ビュー型の光電スイッチの投受光ヘッドの分解斜視図で
ある。

【図４】図３の投受光ヘッドの横断面図である。

【図５】図３の投受光ヘッドの保持部材にプリズムレン
ズを取り付けた状態を示す正面図である。

【図６】従来の光ファイバの検出端構造を示す図であ
る。

【図７】従来の光伝送装置を示す図である。

【図８】従来の光軸変換装置を示す図である。

【図９】従来技術における問題点の原因を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１０ａ，１０ｂ プリズムレンズ １１ 第１の入出射面 １２ 第２の入出射面 １３ 反射面 １４ 第１の凸レンズ １５ 第２の凸レンズ １６ 凸部 １７ 後面部 ４０，４０ａ，４０ｂ 光ファイバ なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を内部に導く入射面、光を外部に出す
   出射面および光を反射する反射面を有するプリズムと、 前記プリズムの入射面側に設けられた第１の凸レンズ
   と、 前記プリズムの出射面側に設けられた第２の凸レンズと
   を備え、 前記第１の凸レンズを通して前記プリズム内部に入射し
   た光が前記反射面において反射し、前記第２の凸レンズ
   を通して出射することを特徴とする光方向変換装置。
2. 【請求項２】 前記第１の凸レンズは前記入射面に入射
   する光を略平行光にするレンズであり、前記第２の凸レ
   ンズは前記出射面から出射される光を収束光にするレン
   ズであることを特徴とする請求項１記載の光方向変換装
   置。
3. 【請求項３】 光を物体に投光しその反射光を受光する
   ことにより前記物体の有無を検出する光電スイッチにお
   いて、 光を内部に導く入射面、光を外部に出す出射面および光
   を反射する反射面を有するプリズムと、 前記プリズムの入射面側に設けられた第１の凸レンズ
   と、 前記プリズムの出射面側に設けられた第２の凸レンズと
   を備え、 前記第１の凸レンズを通して前記プリズム内部に入射し
   た光が前記反射面において反射し、前記第２の凸レンズ
   を通して出射する光方向変換装置を用いていることを特
   徴とする光電スイッチ。